CN113447999B - 一种基于激光数据的大气参数测量方法及设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于激光数据的大气参数测量方法及设备，用以解决现有的光学大气数据系统无法在同一空间内同时测量大气参数，且现有设备测量大气参数的准确性和可靠性降低等技术问题。方法包括：根据第一束测量光信号和第二束测量光信号，获得第三束测量光信号和第四束测量光信号；以获取第三束测量光信号的光子数和第四束测量光的光子数；以获取第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱；根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数等，确定空气速度、大气密度、确定大气压力和大气温度。本申请通过上述方法实现了在同一空间内同时测量空气速度、温度、压力、大气密度等大气参数，同时保证了飞行器测量大气参数的准确性和可靠性。

Description

一种基于激光数据的大气参数测量方法及设备

技术领域

本申请涉及大气参数测量技术领域，尤其涉及一种基于激光数据的大气参数测量方法及设备。

背景技术

随着飞行器的发展，为飞行器提供数据支持的大气数据传感技术历经了空速管、嵌入式大气数据系统、虚拟大气数据系统和光学大气数据系统的发展历程。相比其他测量方式，光学大气数据系统不受飞行器扰流影响，具有测量的精度高、响应时间短(测量延时小)、量程宽等特点，能够适应于高机动、大攻角、高速、隐身设计等需求，被认为是最具发展前景大气数据传感技术。

现阶段，光学大气数据系统获取空气速度的方法主要以非取气、非接触方式，完成对大气的接触式测量。通过测量的机身远处的空气速度(三维)、温度、密度和压力，由此计算大气参数。

然而，现有的光学大气数据系统无法在同一空间内同时测量空气速度、温度、压力、大气密度等大气参数。此外，飞行器在飞行过程中，会出现大攻角、高速飞行的情况，这些情况使得飞行器空速管取气不足，空气速度等的测量受到干扰，飞行器测量大气参数的准确性和可靠性降低。

发明内容

本申请实施例提供了一种大气参数测量系统的测量方法及设备，用以解决现有的光学大气数据系统无法在同一空间内同时测量空气速度、温度、压力、大气密度等大气参数，且在大攻角、高速飞行的情况，飞行器空速管取气不足，飞行器测量大气参数的准确性和可靠性降低等问题。

一方面，本申请实施例提供了一种基于激光数据的大气参数测量方法，方法包括：基于接收到的测量启动指令，触发激光发射器发射第一束测量光信号和第二束测量光信号，以获得第三束测量光信号和第四束测量光信号；根据测量启动指令，生成光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令；将光子数检测指令发送给光子数计算设备，以获取第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数；将光谱检测指令发送给光谱探测设备，以获取第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱；将飞行器高度检测指令发送给定位装置，以获取飞行器的当前高度；根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度；根据预存的压力参考数据、第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱和飞行器的当前高度，确定大气压力；根据大气密度和预存的温度参考数据，确定大气温度。

本申请实施例提供的大气参数测量方法，基于接收测量启动指令的发射时机，实现了控制激光发射器发出激光信号的时机；通过将该激光信号分为第一束测量光信号(参考光信号)和第二束测量光信号(测试光信号)，实现了参考光信号的设置；通过接收第三束测量光信号和第四束测量光信号，实现了接收第一束测量光信号的气体池光处理信号和第二束测量光信号的外部环境光处理信号；通过测量启动指令触发光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，实现了光子数计算设备、光谱探测设备和定位装置的快速唤醒；通过第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数、预存的压力参考数据、飞行器的当前高度和预存的温度参考数据，计算定空气速度、大气密度、大气压力和大气温度，实现了同一数据在同一时空环境下同时测量多个大气参数的技术效果。

在本申请的一种实现方式中，触发激光发射器发射第一束测量光信号和第二束测量光信号，以获得第三束测量光信号和第四束测量光信号，具体包括：将激光发射器发出的激光信号发送给第一分光器，以获得第一束测量光信号和第二束测量光信号；将第一束测量光信号发送到气体池中，以对第一束测量光信号进行吸收处理和散射处理；将吸收处理和散射处理的第一束测量光信号进行锁相放大处理，以得到第三束测量光信号；将第二束测量光信号发射到第二分光器中，以获得若干子光信号；通过发射望远镜将若干子光信号发送到大气中，并通过接收望远镜获得第四束测量光信号；其中，发射望远镜的数量与若干子光信号的数量相等，且与接收望远镜的数量相等。

本申请实施例提供的大气参数测量方法，通过将激光发射器发出的激光信号发送给第一分光器，实现了激光信号的切分；通过将第一束测量光信号(参考光信号)发送到气体池中，实现了第一束测量光信号在预设标准环境(气体池)下光信号的吸收处理和散射处理；然后，通过锁相放大处理，实现了去除第一束测量光信号中的杂波，进而获得了第三束测量光信号；通过将第二束测量光信号发送给第二分光器，实现了将第二束测量光信号的光信号切分成若干子光信号；通过将若干子光信号发射到大气中，实现了第二束测量光信号在外部环境中的充分光散射处理和光吸收处理；通过预设若干接收望远镜，实现了接收经过外部环境光处理的由若干子光信号组成的第四束测量光信号。此外，通过使子光信号、发射望远镜和接收望远镜的数量一致，实现了有效的发射与接收光子信号，避免了光子信号的损耗。

在本申请的一种实现方式中，发射望远镜呈圆环形排列，且任意相邻的两个发射望远镜之间的夹角为：

其中，发射望远镜与接收望远镜一一对应；确定发射望远镜的发射视场角所对应的重叠区域；根据发射视场角所对应的重叠区域，确定接收望远镜安装区域。

本申请实施例提供的大气参数测量方法，通过将发射望远镜呈圆环形排列，使被发射到外部环境中的子光信号充分的被外部光处理，最大程度的避免了子光信号由于相同光信号互相光影响，而导致的光干扰；通过将接收望远镜设置在发射望远镜的发射视场角所对应的重叠区域，实现了子信号的充分回收，最大程度的避免了子光信号的遗失。

在本申请的一种实现方式中，将光子数检测指令发送给光子数计算设备，以获取第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数，具体包括：在光子数计算设备接收到光子数检测指令后，通过第一光纤通道接收第三束测量光信号，通过第二光纤通道接收第四束测量光信号；在光子数计算设备上确定参考阵列区域和测量阵列区域；其中，第一光纤通道接入参考阵列区域，第二光纤通道接入测量阵列区域；通过参考阵列区域得到第三束测量光信号的光子数，以及通过测量阵列区域得到第四束测量光信号的光子数。

本申请实施例提供的大气参数测量方法，通过设置第一光纤和第二光纤，实现了光子数计算设备同时获取第三束测量光信号和第四束测量光信号；通过在光子数计算设备上设置参考阵列区域和测量阵列区域，实现了一个设备(光子数计算设备)同时获取两种光信号(第三束测量光信号和第四束测量光信号)的光子数的技术效果。

在本申请的一种实现方式中，根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度，具体包括：根据第一束测量光信号的吸收光谱，确定第一束测量光信号的信号频率和中心频率；根据第二束测量光信号的吸收光谱，确定第二束测量光信号的信号频率；根据第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数、第一束测量光信号的信号频率和第二束测量光信号的信号频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移；根据第一束测量光信号的中心频率和第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移，确定空气速度。

在本申请的一种实现方式中，根据第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数、第一束测量光信号的信号频率和第二束测量光信号的信号频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移，具体包括：根据第三束测量光信号的光子数和第一束测量光信号的信号频率，确定第三束测量光信号的信号强度；根据第四束测量光信号的光子数和第二束测量光信号的信号频率，确定第四束测量光信号的信号强度；根据第三束测量光信号的信号强度和第四束测量光信号的信号强度，确定第二束测量光信号的衰减值；根据第三束测量光信号的信号强度、第四束测量光信号的信号强度和第二束测量光信号的衰减值，确定激光发射器发出的激光信号的总强度；通过激光发射器发出的激光信号的总强度，确定激光发射器发出的激光信号的实际频率；根据激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移。

在本申请的一种实现方式中，根据激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移，具体包括：确定激光发射器发出的激光信号的实际频率与激光发射器发出的激光信号的预设频率之间的差值；当差值在预设取值范围内时，根据激光发射器发出的激光信号的预设频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移；当频率差值不在预设取值范围内时，根据激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移。

在本申请的一种实现方式中，根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度，具体包括：通过第三束测量光信号的波长和瑞利散射截面公式，确定第三束测量光信号的散射截面；根据第三束测量光信号的散射截面、第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数，确定大气密度。

在本申请的一种实现方式中，将光谱检测指令发送给光谱探测设备，以获取第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱，具体包括：将光谱探测设备分别与光子数计算设备的参考阵列区域和测量阵列区域连接；当光谱探测设备接收到光谱检测指令后，通过光子数计算设备的参考阵列区域和测量阵列区域，获取第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱。

另一方面，本申请实施例还提供了一种基于激光数据的大气参数测量设备，其特征在于，设备包括：处理器以及存储器，其上存储有可执行代码，当可执行代码被执行时，使得处理器执行上述的一种基于激光数据的大气参数测量方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种基于激光数据的大气参数测量方法流程图；

图2为本申请实施例提供的一种基于激光数据的大气参数测量设备内部结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

大气数据系统实时获得的大气数据，完整的大气数据状态用马赫数、攻角、侧滑角、静压力及真空速度五个参数描述，这些数据是飞行控制系统、发动机控制系统及飞行管理系统的极为重要输入信息。大气数据传感技术是现代飞行器的一项重要技术，不仅是所有飞行器安全飞行的保障，更是现代高性能飞行器的直接支撑技术。

本申请实施例提供了一种基于激光数据的大气参数测量方法及设备，通过将激光发射器发射的激光信号发送给第一分光器，获得了第一束测量光信号和第二束测量光信号；通过将第一束测量光信号发送到标准气体池中，然后进行锁相放大处理，获得了经过气体池中标准光处理且滤除杂波干扰的第三束测量光信号；通过将第二束测量光信号分成若干子光信号，并通过圆环状设置的若干发射望远镜发射到大气中，实现了第二束测量光信号与外部环境充分接触；通过将接收望远镜的安装区域设置在发射视场角所对应的重叠区域，实现了第四束测量光信号的充分接收；通过测量启动指令，生成光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，实现了快速触发光子数计算设备、光谱探测设备和定位装置；通过在光子数计算设备上设置参考阵列区域和测量阵列区域，实现了同时测量两种信号的光子数；通过光谱探测设备获得第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱，实现了第三束测量光信号与第四束测量光信号之间多普勒频移的计算；通过多普勒频移、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数、预存的压力参考数据和预存的温度参考数据，实现了同一时空环境下同时计算空气速度、大气密度、大气压力和大气温度。

另外，在本申请实施例中提出的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其执行主体是服务器。

下面通过附图对本申请实施例提出的技术方案进行详细的说明。

图1为本申请实施例提供的一种基于激光数据的大气参数测量方法。如图1所示，本申请实施例提供的实现方法，主要包括以下步骤：

步骤101、基于接收到的测量启动指令，触发激光发射器发射第一束测量光信号和第二束测量光信号，以获得第三束测量光信号和第四束测量光信号。

需要说明的是，服务器接收测量启动指令的时间间隔可以是预设时间段，也可以根据用户的操作确定具体的时间间隔；其中，预设时间段可以是任意可行的时间段，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定预设时间段的具体内容。此外，激光发射器发射的激光信号为调制信号，例如：激光信号可以调制为频率为100KHz、幅值为40mV的高频正弦波。激光信号的调制数据可以是任意可行的数据，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定激光信号的具体调制数据。此外，本申请实施例中通过激光发射器调制激光信号的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。

需要说明的是，第一束测量光信号与第二束测量光信号为同一激光信号经过第一分光器分割的两束相同的光信号。另外，通过第一分光器将激光信号分割成第一束测量光信号和第二束测量光信号的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。

进一步地，通过第一束测量光信号获得第三束测量光信号；以及通过第二束测量光信号获得第四束测量光信号。其中，通过第一束测量光信号获得第三束测量光信号具体包括：服务器控制激光器通过光纤将第一束测量光信号发送到气体池中，其中，该气体池为标准气体池，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定该标准气体池中各个物质的具体含量。通过标准气体池对第一束测量光信号进行吸收处理和散射处理；在吸收处理和散射处理完成后，服务器控制采集、探测模块通过光纤将经过气体池吸收处理和散射处理的第一束测量光信号进行锁相放大处理，其中，锁相放大处理的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。通过光纤继续传输经过锁相放大处理的第三束测量光信号。至此，完成通过第一束测量光信号获得第三束测量光信号。

另外，通过第二束测量光信号获得第四束测量光信号具体包括：服务器控制激光器将第二束测量光信号发射到第二分光器中，以获得若干子光信号。另外，通过第二分光器将第二束测量光信号分割成若干子光信号的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。

需要说明的是，子光信号与发射望远镜一一对应，其中，子光信号的个数和发射望远镜的个数相同，且可以是任意可行的数量，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定子光信号的个数和发射望远镜的个数的具体数量。

服务器控制激光器通过光纤将子光信号传输给发射望远镜，另外，为了使若干子光信号能够与外部环境进行充分的作用，以及为了避免若干子光信号之间的光作用，将发射子光信号的发射望远镜呈圆环形排列，且任意相邻的两个所述发射望远镜之间的夹角为：

根据发射望远镜的发射视场角度(A)、发射望远镜的个数(B)，和公式：重叠区域＝(360°/B-A)/2，确定发射望远镜的发射视场角所对应的重叠区域。

其中，发射视场角可以是任意可行的角度，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定发射视场角的具体角度。

在确定发射望远镜的发射视场角所对应的重叠区域后，将若干接收望远镜布置在该重叠区域内。需要说明的是，接收望远镜与发射望远镜一一对应，且每一对发射望远镜与接收望远镜之间距离相同。另外，该距离可以是任意可行的长度，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定发射望远镜与接收望远镜之间距离的具体数据。

此外，由于发射望远镜与接收望远镜之间是有距离的，因此，接收望远镜接收到的是经过外部环境(大气中)吸收处理和散射处理的光信号(第四束测量光信号)。需要说明的是，若干接收望远镜在接收到若干第四束测量光信号后，若干第四束测量光信号将通过第二光纤通道完成光信号的汇聚。至此，完成通过第二束测量光信号获得第四束测量光信号。

步骤102、根据测量启动指令，生成光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令。

需要说明的是，服务器在接收到测量启动指令后，将从预设数据库中自动调取光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，其中，预设数据库预先存储完整的光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，且预设数据库中的具体内容，本领域技术人员可以根据实验需求设置。

进一步地，光子数检测指令用于触发光子数计算设备，以使光子数计算设备接收光信号，进而计算接收到的光信号的光子数；光谱检测指令用于触发光谱探测设备，以使光谱探测设备接收光信号，进而确定光信号的吸收光谱；飞行器高度检测指令用于触发定位装置，以使定位装置获取飞行器的当前高度。

步骤103、将光子数检测指令发送给光子数计算设备，以获取第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数。

需要说明的是，本申请实施例中的光子数计算设备可以是任意可行的计算光子数的设备，本申请对此不作限定。

具体地，光子数计算设备至少包括参考阵列区域和测量阵列区域，其中，参考阵列区域用于测量第三束测量光信号的光子数，测量阵列区域用于测量第四束测量光信号的光子数。其中，第一光纤通道接入参考阵列区域，第二光纤通道接入测量阵列区域；需要说明的是，第一光纤通道由若干光纤组成，用于传输第三束测量光信号；如，通过第一光纤通道将第三束测量光信号发到给光子数计算设备上的参考阵列区域；第二光纤通道由若干光纤组成，用于传输第四束测量光信号；如，通过第二光纤通道将第四束测量光信号发到给光子数计算设备上的测量阵列区域。服务器将光谱检测指令发送给光子数计算设备，以使光子数计算设备获取参考阵列区域和测量阵列区域上光信号(第三束测量光信号和第四束测量光信号)的光子数，并将第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数反馈给服务器。

步骤104、将光谱检测指令发送给光谱探测设备，以获取第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱。

需要说明的是，本申请实施例中的光谱探测设备可以是任意可行的检测吸收光谱的设备，本申请对此不作限定。

具体地，服务器将光谱检测指令发送给光谱探测设备，以使光谱探测设备接收来自第一光纤通道的第三束测量光信号和第二光纤通道的第四束测量光信号，进一步具体地，光谱探测设备通过第一光纤通道与光子数计算设备的参考阵列区域相连，通过第二光纤通道与光子数计算设备的测量阵列区域相连，以使光谱探测设备通过第一光纤通道接入参考阵列区域，通过第二光纤通道接入测量阵列区域。光谱探测设备获取参考阵列区域和测量阵列区域上光信号的吸收光谱。需要说明的是，在本申请中第三束测量光信号对应的是第一束测量光信号的吸收光谱；第四束测量光信号对应的是第二束测量光信号的吸收光谱。光谱探测设备根据第三束测量光信号和第四束测量光信号采集第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱，然后，根据第一束测量光信号的吸收光谱，抽取第一束测量光信号的信号频率和中心频率；根据第二束测量光信号的吸收光谱，抽取第二束测量光信号的信号频率；其中，光谱探测设备抽取第一束测量光信号的信号频率和中心频率的实现过程，以及光谱探测设备抽取第二束测量光信号的信号频率的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。

至此，完成采集第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱，且通过第一束测量光信号的吸收光谱和第二束测量光信号的吸收光谱提取到了第一束测量光信号的信号频率和中心频率，以及第二束测量光信号的信号频率。

步骤105、将飞行器高度检测指令发送给定位装置，以获取飞行器的当前高度。

需要说明的是，本申请实施例中的定位装置可以是任意可行的检测飞行高度的设备，本申请对此不作限定。

具体地，服务器将飞行器高度检测指令发送给定位装置，以使定位装置获取飞行器的当前高度，并反馈给服务器。

步骤106、根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱、第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度。

需要说明的是，第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱可以通过上述步骤104获得；第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数可以通过上述步骤103获得。进一步地，服务器根据第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱，从光谱探测设备中获取第一束测量光信号的信号频率和中心频率，以及获取第二束测量光信号的信号频率，具体步骤见步骤104，在此不做赘述。

需要说明的是，在计算空气速度和大气密度之前，服务器需要先计算第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移。

具体地，服务器根据第三束测量光信号的光子数和第一束测量光信号的信号频率，确定第三束测量光信号的信号强度；服务器根据第四束测量光信号的光子数和第二束测量光信号的信号频率，确定第四束测量光信号的信号强度；需要说明的是，服务器根据第三束测量光信号的光子数和第一束测量光信号的信号频率，确定第三束测量光信号的信号强度的实现过程，以及服务器根据第四束测量光信号的光子数和第二束测量光信号的信号频率，确定第四束测量光信号的信号强度的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现。本申请实施例对此不作限定。然后，服务器获取第三束测量光信号的信号强度与第四束测量光信号的信号强度的差值，将该差值乘以预设系数，以获得第二束测量光信号的衰减值，其中该预设系数可以是任意可行数值，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定预设系数的具体数据。

进一步地，服务器将第四束测量光信号与第二束测量光信号的衰减值合计起来，获得第二束测量光信号。由于第一束测量光信号与第二束测量光信号是由第一分光器平均分割的，因此可以将第二束测量光信号乘2，以获得激光信号，进而服务器通过激光信号获得激光发射器发出的激光信号的总强度。需要说明的是，服务器通过激光信号获得激光发射器发出的激光信号的总强度的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。

然后，服务器根据激光发射器发出的激光信号的总强度，确定所述激光发射器发出的激光信号的实际频率，其中，服务器根据激光发射器发出的激光信号的总强度，确定所述激光发射器发出的激光信号的实际频率的实现过程，可以通过现有的方法或者技术实现，本申请实施例对此不作限定。服务器在确定激光发射器发出的激光信号的实际频率后，服务器根据激光发射器发出的激光信号的实际频率以及预设频移系数的乘积，计算第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移。

需要说明的是，预设频移系数可以是任意可行的数据，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定预设频移系数的具体数据。

具体地，在服务器在根据激光发射器发出的激光信号的实际频率计算多普勒频移之前，服务器先计算激光发射器发出的激光信号的实际频率与激光发射器发出的激光信号的预设频率之间的差值；当差值在预设取值范围内时，服务器根据激光发射器发出的激光信号的预设频率和预设频移系数的乘积，计算第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移；另外，当频率差值不在预设取值范围内时，根据激光发射器发出的激光信号的实际频率与预设频移系数的乘积，计算第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移。

至此，完成第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移的计算。

需要说明的是，服务器根据第一束测量光信号的中心频率和第三束测量光信号相对于第四束测量光信号的多普勒频移，以及根据公式：空气速度＝多普勒频移*光速/第一束测量光信号的中心频率，确定空气速度。

至此，完成空气速度的计算。

需要说明的是，服务器通过第三束测量光信号的波长和瑞利散射截面公式，确定第三束测量光信号的散射截面；需要说明的是，第三束测量光信号的波长可以通过光谱探测设备直接获得。在确定第三束测量光信号的散射截面之后，服务器根据第三束测量光信号的散射截面、第三束测量光信号的光子数和第四束测量光信号的光子数，以及公式：

其中，Q(i)为所述第三束测量光信号的光子数，N(i)为所述第四束测量光信号的光子数，q(i)为所述大气密度，C、R为预设常数，k为玻耳兹曼常数，σ为所述第三束测量光信号的散射截面，确定大气密度。需要说明的是，C、R可以是任意可行的数据，本领域技术人员可以通过多次实验，来确定C、R的具体数据。

至此，完成大气密度的计算。

步骤107、根据预存的压力参考数据、第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱和飞行器的当前高度，确定大气压力。

需要说明的是，预存的压力参考数据为参考大气压力与飞行高度的对应关系。服务器根据公式：

其中，P为所述大气压力，f_b为激光信号的预设频率，计算大气压力。

需要说明的是，服务器根据上述大气压力公式计算出大气压力后，服务器将根据当前高度调取预存的压力参考数据中该当前高度对应的参考大气压力，当计算的大气压力与预存的当前高度对应的参考大气压力的差值小于预设阈值时，完成大气压力的监测，当大于预设阈值时，通过服务器向飞行员报错，以进行二次监测。

至此，完成大气压力的计算。

步骤108、据大气密度和预存的温度参考数据，确定大气温度。

需要说明的是，预存的温度参考数据为参考大气温度与当前高度的对应关系。

具体地，服务器根据大气温度公式：

其中，T(i)为大气温度，T(l)为参考大气温度，q(l)为大气密度，g(r)为重力加速度，M为大气平均分子量，确定大气温度。

至此，完成大气温度的计算。

本申请实施例提供的技术方案根据光吸收原理，光散射原理，实现在非接触的情况下测定、大气密度、大气压力和大气温度，因此能在大攻角、高速飞行的情况下保证准确测量大气参数。同时，本申请提供的一种大气参数测量系统的测量方法，具有动态响应快、测量精度高、测量量程大等特点，不仅可应用在大攻角、宽范围飞行测量应用场合，还可应用于风切变、发动机燃烧羽流检测、大气湍流等大气参数的检测。

除此之外，本申请实施例还提供了一种基于激光数据的大气参数测量设备，其上存储有可执行指令，在该可执行指令被执行时，实现如上述的一种基于激光数据的大气参数测量方法。具体地，服务器端通过总线向存储器发送执行指令，当存储器接收到执行指令时，通过总线向处理器发送执行信号，以激活处理器。

需要说明的是，处理器用于接收测量启动指令，并根据测量启动指令，生成光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，以通过光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令，获得第三束测量光信号的光子数、第四束测量光信号的光子数、第一束测量光信号的吸收光谱、第二束测量光信号的吸收光谱和飞行器的当前高度，进而完成空气速度、大气密度、大气压力和大气温度的计算。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，所述方法包括：

基于接收到的测量启动指令，触发激光发射器发射第一束测量光信号和第二束测量光信号，以获得第三束测量光信号和第四束测量光信号；

根据所述测量启动指令，生成光子数检测指令、光谱检测指令和飞行器高度检测指令；

将所述光子数检测指令发送给光子数计算设备，以获取所述第三束测量光信号的光子数和所述第四束测量光信号的光子数；

将所述光谱检测指令发送给光谱探测设备，以获取所述第一束测量光信号的吸收光谱和所述第二束测量光信号的吸收光谱；

将所述飞行器高度检测指令发送给定位装置，以获取飞行器的当前高度；

根据所述第一束测量光信号的吸收光谱、所述第二束测量光信号的吸收光谱、所述第三束测量光信号的光子数、所述第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度；

根据预存的压力参考数据、所述第一束测量光信号的吸收光谱、所述第二束测量光信号的吸收光谱和所述飞行器的当前高度，确定大气压力；

根据所述大气密度和预存的温度参考数据，确定大气温度；

所述触发激光发射器发射第一束测量光信号和第二束测量光信号，以获得第三束测量光信号和第四束测量光信号，具体包括：

将所述激光发射器发出的激光信号发送给第一分光器，以获得所述第一束测量光信号和所述第二束测量光信号；

将所述第一束测量光信号发送到气体池中，以对所述第一束测量光信号进行吸收处理和散射处理；

将吸收处理和散射处理的所述第一束测量光信号进行锁相放大处理，以得到所述第三束测量光信号；

将所述第二束测量光信号发射到第二分光器中，以获得若干子光信号；

通过发射望远镜将所述若干子光信号发送到大气中，并通过接收望远镜获得所述第四束测量光信号；其中，所述发射望远镜的数量与所述若干子光信号的数量相等，且与所述接收望远镜的数量相等；

所述发射望远镜呈圆环形排列，且任意相邻的两个所述发射望远镜之间的夹角为：

其中，所述发射望远镜与所述接收望远镜一一对应；

确定所述发射望远镜的发射视场角所对应的重叠区域；

根据所述发射视场角所对应的重叠区域，确定所述接收望远镜安装区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，将所述光子数检测指令发送给光子数计算设备，以获取所述第三束测量光信号的光子数和所述第四束测量光信号的光子数，具体包括：

在所述光子数计算设备接收到所述光子数检测指令后，通过第一光纤通道接收所述第三束测量光信号，通过第二光纤通道接收所述第四束测量光信号；

在所述光子数计算设备上确定参考阵列区域和测量阵列区域；其中，所述第一光纤通道接入所述参考阵列区域，所述第二光纤通道接入所述测量阵列区域；

通过所述参考阵列区域得到所述第三束测量光信号的光子数，以及通过所述测量阵列区域得到所述第四束测量光信号的光子数。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，根据所述第一束测量光信号的吸收光谱、所述第二束测量光信号的吸收光谱、所述第三束测量光信号的光子数、所述第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度，具体包括：

根据所述第一束测量光信号的吸收光谱，确定所述第一束测量光信号的信号频率和中心频率；

根据所述第二束测量光信号的吸收光谱，确定所述第二束测量光信号的信号频率；

根据所述第三束测量光信号的光子数、所述第四束测量光信号的光子数、所述第一束测量光信号的信号频率和所述第二束测量光信号的信号频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移；

根据所述第一束测量光信号的中心频率和所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移，确定所述空气速度。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，根据所述第三束测量光信号的光子数、所述第四束测量光信号的光子数、所述第一束测量光信号的信号频率和所述第二束测量光信号的信号频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移，具体包括：

根据所述第三束测量光信号的光子数和所述第一束测量光信号的信号频率，确定所述第三束测量光信号的信号强度；

根据所述第四束测量光信号的光子数和所述第二束测量光信号的信号频率，确定所述第四束测量光信号的信号强度；

根据所述第三束测量光信号的信号强度和所述第四束测量光信号的信号强度，确定所述第二束测量光信号的衰减值；

根据所述第三束测量光信号的信号强度、所述第四束测量光信号的信号强度和所述第二束测量光信号的衰减值，确定所述激光发射器发出的激光信号的总强度；

通过所述激光发射器发出的激光信号的总强度，确定所述激光发射器发出的激光信号的实际频率；

根据所述激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，根据所述激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移，具体包括：

确定所述激光发射器发出的激光信号的实际频率与所述激光发射器发出的激光信号的预设频率之间的差值；

当所述差值在预设取值范围内时，根据所述激光发射器发出的激光信号的预设频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移；

当所述频率差值不在预设取值范围内时，根据所述激光发射器发出的激光信号的实际频率，确定所述第三束测量光信号相对于所述第四束测量光信号的多普勒频移。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，根据所述第一束测量光信号的吸收光谱、所述第二束测量光信号的吸收光谱、所述第三束测量光信号的光子数、所述第四束测量光信号的光子数，确定空气速度和大气密度，具体包括：

通过所述第三束测量光信号的波长和瑞利散射截面公式，确定所述第三束测量光信号的散射截面；

根据所述第三束测量光信号的散射截面、所述第三束测量光信号的光子数和所述第四束测量光信号的光子数，确定大气密度。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法，其特征在于，将所述光谱检测指令发送给光谱探测设备，以获取所述第一束测量光信号的吸收光谱和所述第二束测量光信号的吸收光谱，具体包括：

将所述光谱探测设备分别与所述光子数计算设备的参考阵列区域和测量阵列区域连接；

当所述光谱探测设备接收到所述光谱检测指令后，通过所述光子数计算设备的参考阵列区域和测量阵列区域，获取所述第一束测量光信号的吸收光谱和所述第二束测量光信号的吸收光谱。

8.一种基于激光数据的大气参数测量设备，其特征在于，所述设备包括：

处理器以及存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任一项所述的一种基于激光数据的大气参数测量方法。

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